解析鈦酸鋰動(dòng)力電池及其發(fā)展歷程

　　從新聞可以得知，我國(guó)采用鈦酸鋰電池為動(dòng)力源的新能源汽車有不少已經(jīng)投入運(yùn)營(yíng)。像北汽福田汽車股份有限公司、金龍聯(lián)合汽車工業(yè)（蘇州）有限公司、廈門(mén)金龍汽車集團(tuán)股份有限公司、安徽安凱汽車股份有限公司、珠海銀隆新能源有限公司等多家企業(yè)也都推出了鈦酸鋰動(dòng)力電池的新能源客車。

　　動(dòng)力電池作為新能源汽車的能量來(lái)源，動(dòng)力電池的性能決定了車輛的性能。動(dòng)力電池包括鋰離子電池、鎳氫電池、超級(jí)電容、燃料電池等。目前新能源汽車采用的動(dòng)力電池主要類型是鋰離子動(dòng)力電池。

　　鋰離子動(dòng)力電池是由正極、負(fù)極、隔膜及電解液這四個(gè)主要部分構(gòu)成。其中鋰離子電池的正極一般是具有高電位且可逆脫嵌鋰離子的材料，比如錳酸鋰、磷酸鐵鋰、三元材料等。鋰離子電池的負(fù)極一般是碳負(fù)極材料比如石墨。目前對(duì)正極材料的研究已經(jīng)達(dá)到一個(gè)瓶頸，因此對(duì)負(fù)極材料的研究成為另外一個(gè)關(guān)鍵。鈦酸鋰作為負(fù)極材料里的佼佼者，由此談?wù)勨佀徜囋趧?dòng)力電池中的研究及發(fā)展現(xiàn)狀。

　　一、鈦酸鋰性質(zhì)

　　動(dòng)力電池的理想負(fù)極材料應(yīng)具備以下幾個(gè)性質(zhì)：高充放電效率和循環(huán)壽命；高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性；高比容量，安全性好；資源豐富，價(jià)格低廉，制備相對(duì)簡(jiǎn)單且不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染等。

　　目前的鋰離子電池負(fù)極材料的研究主要集中在碳基材料上。其中碳電極在電池反應(yīng)過(guò)程中進(jìn)行嵌鋰后的電位接近金屬鋰的電位，一旦電池在過(guò)充時(shí)，碳電極的表面就容易析出金屬鋰。產(chǎn)生的金屬鋰會(huì)跟電解液接觸反應(yīng)產(chǎn)生可燃性氣體，給動(dòng)力電池帶來(lái)相當(dāng)大的安全隱患。另外，石墨材料負(fù)電極存在與電解液的共嵌入問(wèn)題，對(duì)電解液敏感高，穩(wěn)定性有限導(dǎo)致電極的循環(huán)穩(wěn)定性受到影響。合金類負(fù)極材料與碳負(fù)極材料相比具有較高的比容量，在充放電過(guò)程中鋰的反復(fù)嵌脫會(huì)使合金類負(fù)極的體積發(fā)生較大變化導(dǎo)致循環(huán)性能變差。石墨類與鈦酸鋰負(fù)極材料的一些性質(zhì)參數(shù)如下表所示。

　　鈦酸鋰，Li4Ti5O12，面心立方尖晶石結(jié)構(gòu)。常用的化合物分子式為AM2O4，空間群為Fd3m，晶胞參數(shù)a=0.836nm。這種尖晶石結(jié)構(gòu)對(duì)鋰離子有一定的容納空間，通俗來(lái)說(shuō)一個(gè)鈦酸鋰能容納3個(gè)鋰離子。充放電時(shí)的鋰離子嵌入和脫嵌對(duì)鈦酸鋰材料的結(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)有影響，因?yàn)殁佀徜嚨木徒Y(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)有發(fā)生變化，a值僅從0.836nm增大到0.837nm。這種現(xiàn)象被稱為“零應(yīng)變”，因此鈦酸鋰也被稱為“零應(yīng)變材料”。這種性質(zhì)對(duì)電極材料來(lái)說(shuō)具有重要的作用，能夠避免充放電過(guò)程中由于材料的伸縮變化而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而提高電極的性能和減少比容量的大幅度衰減，延長(zhǎng)了電池的使用壽命。

　　鈦酸鋰的化學(xué)擴(kuò)散系數(shù)（一般為2×10-8cm2/s）要比碳負(fù)極材料的擴(kuò)散系數(shù)大—個(gè)數(shù)量級(jí)，高擴(kuò)散系數(shù)意味著鈦酸鋰要比其他的碳負(fù)極材料具備更快和更多的循環(huán)充放電能力。但鈦酸鋰本身并不能提供鋰源，因此只能與含有鋰的電極材料進(jìn)行搭配。鈦酸鋰作為正極時(shí)，負(fù)極只能是金屬鋰或鋰合金，此時(shí)電池的電壓約為1.5V左右。鈦酸鋰作為負(fù)極和LiCoO2、LiMn2O4等正極材料可組成電壓為3V上下的電池。盡管鈦酸鋰可以作為負(fù)極也可以作正極使用，但由于相對(duì)Li+/Li的電位為1.5V，因此作為正極材料進(jìn)行研究和應(yīng)用并不多。尖晶石結(jié)構(gòu)特有三維鋰離子擴(kuò)散通道，因此鈦酸鋰在高低溫性能上也表現(xiàn)優(yōu)異。

　　與碳負(fù)極材料相比，鈦酸鋰的高電位（1.5VvsLi+/Li）意味著通常在碳負(fù)極與電解液接觸在表面產(chǎn)生的SEI膜在鈦酸鋰表面上基本難以形成。在正常電壓范圍內(nèi)，在鈦酸鋰表面上也難以生成鋰枝晶。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)樵诤艽蟪潭壬媳苊饬虽囍г陔姵貎?nèi)部造成短路的可能。所以采用鈦酸鋰為負(fù)極的鋰離子電池的安全性在各種類型的鋰離子電池中相對(duì)要高。